物理高端备课：构建U-S合作的桥梁——以“生活中的圆周运动”为例，本文主要内容关键词为：圆周运动论文,为例论文,桥梁论文,物理论文,生活中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
我国传统物理备课工作的“教材分析”“教案撰写”等范畴强调经验的继承，强调对物理教材的整体感知和把握，但其固有的封闭性在相当程度上带来了“闭门造车”倾向。很多教师的教案都陷入“师生问答”的线性模式之中，缺少开放性和深度思考。而基于信息加工理论的教学设计范式限于其早期目的和理论基础的局限性，使得它受到形式逻辑规则的约束和信息加工系统中假设特征的制约，表现出外部效度或生态效度不高的缺陷。[1]
基于此，我们依据科学方法中心理论和原始物理问题教学理论，提出了物理高端备课的观点，以表达物理教学的基本逻辑，力图使教师的课程准备最大限度地实现学生心理逻辑与物理学科逻辑的统一，从而构建体现物理教学本质并彰显中国特色的高端备课研究范式。
不仅如此，物理高端备课也为教师专业发展在大学（university）教育专家与中学（school）教师之间构筑起了联系的桥梁，使之成为U-S合作发展的新方式。以上这些，都使得高端备课研究兼具理论与实践的双重意蕴，并为当前教师专业发展提供一种方法论的有益启示。
一、物理高端备课视角下的教材分析
对教材和现有教学进行理论分析是物理高端备课的起始环节。我们发现，传统的物理教材编制提出了体现本土特色的“突出重点、分散难点”观点。这些研究为我国物理教学和物理教材编写提供了有效的理论指导。然而，随着课程改革的深度推进与教材建设的长足发展，以传统观点为支撑的“重点难点”理论已经不能满足师生对特色教材需求的增长。近年来就有学者称：“相当多的教师已经把‘课堂教学主要就是为了疏通难点，突出重点’当作了教学信条。他们习惯于把教学内容经验性地分割成孤立的一个个的难点、重点和非重点难点，并据此来设置教学策略、编写教案、实施教学。学生则根据这样的考点布局来准备考试”，“重点难点”也往往被庸俗化为“考点”与“非考点”。[2]对此，我们认为，虽然传统的教材“重点难点”理论基本把握了教材结构中主次矛盾的辩证关系，并在实践中彰显了有效性，然而，这种衍生自传统经验的“篇、章、节、点”的教材结构观却亟待超越，“就教材说教学”的传统教材分析也亟须改进，这就必然要在教学准备中运用高端备课的理论思维。
“生活中的圆周运动”一节作为高中物理“曲线运动”一章的最后一节，体现了该章知识的一次综合应用。由于其前承新授课概念、规律的巩固，后启新章节的认知，自身又担负着提高学生知识应用能力的任务，所以，对该节教学的逻辑与内涵进行深入研究与分析就有着十分特殊的意义。
现行人民教育出版社教材选择了“铁路的弯道”、“拱形桥”、“航天器中的失重现象”和“离心运动”四个专题作为该节的基本内容。[3]总体而言，尽管教材采用了一种简单化的处理方式，但大多数教师都会用不止一个课时讲完该节。这是因为该节既是该章内容的一次“小综合”，同时也是后续“大综合”的基础，例如，其与天体运动、复合场中的圆周运动、单摆等知识都有复杂的综合关系。
然而，面对该节教学的重要地位，教材却只为每个专题提供了个别的甚至是单个的实例，并且仅有个别专题给出了简单的定量解析。例如，“铁路的弯道”部分缺少定量推证的文字描述，使得该部分更近似科普读物，而非心理学化的教材。具体而言，其中蕴含的诸如受力分析等科学方法内涵都没有得到凸显，其与知识的联系也处于隐晦状态。而现行诸多教参和教辅由于质量参差不齐，客观上存在着把教辅编成“习题集”的倾向。在缺乏读书指导的情况下，该导向很容易使学生陷入“题海战术”的机械训练而不自知。“就题论题”没有注意结论的物理意义的诠释，更没有顾及科学方法的显化。在这种情况下，知识与方法都很难内化。所以，在这种教材指导下的学生的学习效率是不会高的。
或许上述批评反映了教材与教参这类教学媒体的固有缺陷。然而，当我们将教材逻辑等同于教学逻辑的时候，这种缺陷也就不可避免地被“复制”到课堂教学之中，由此，也就往往导致知识应用教学的零碎、无组织化。以至于虽然课时开满、习题足够，但学生面对陌生问题时仍显吃力，即长期以来一线教师所谓“开生题”能力的欠缺，这对学生的应考与能力发展都是一个难以逾越的障碍，这一问题的解决需要在理论思维的指导下进行深入的研究。
我们认为，该节教学的有序与无序、统筹与放任，是通向高质教学与题海战术的岔口。同时，鉴于该节作为一个典型知识应用课型以及在整个高中物理阶段的重要地位，剖析该节的高端备课就有着典型意义和示范价值。
二、物理高端备课的展开
物理高端备课是指以物理课程与教学理论为指导，采用“备课”的形式，研究既符合物理学内在逻辑，又符合物理教学规律，同时符合学生学习规律并接受课堂教学实践检验的教学设计，体现“从物理知识传授到物理方法教育，再到物理思想形成”的核心理念。在此基础上，构筑一线物理教师参与的教学研究交流平台，从而达到物理教育理论与实践真正结合，促进教师专业提升与学生认知发展向高水平跨越的物理教育研究活动。
物理高端备课不同于传统教学设计基于信息加工理论的流程描述，而是在符合物理学特色的物理教学理论指导下，对最具体的物理教学问题作出合乎物理教学逻辑的引领。据此，如何在该节纷繁复杂的问题情境与培养学生能力的迫切要求之间辨明教学的逻辑通道并找到坚实可靠的路径，就成为完成“生活中的圆周运动”高端备课的核心任务。
我们认为，教师的教学不能“想到哪里讲到哪里”，亦不能贸然呈现偏难题或易错题，而应站在一定的高度，系统地谋划该节的整体结构以彰显物理内涵。就该节而言，我们选择火车转弯、汽车转弯、圆锥摆和自行车转弯四个不同情境，并以习题或问题的形式组织了一个有结构的变式组，以此展开水平面内圆周运动的高端备课。
（一）火车转弯：典型化的教学起点
从何入手、如何“破题”，这是一个关乎物理教学逻辑的问题。事实上，科学研究是从最普遍、最感性的现象做起，而物理教学则须从抽象、典型的特殊例子开始。所以，“典型化”就是这一逻辑问题的答案，其中蕴含的是一个建立物理模型的过程。对“火车转弯”这一问题大部分学生都有生活体验，所以具有一定的典型性。通过理想化方法，将火车抽象为一个良好的模型并设置数据之后，就获得了这一典型的物理习题。
火车转弯：质量为m的火车在转弯处，若向心力完全由重力G和支持力FN的合力提供，则铁轨不受轮缘的挤压，此时行车最安全。请推导此时火车的速度v。
首先，第一步教学从学生熟悉的情境开始，符合典型化的要求；其次，从情境中提取出这样一个问题不是可有可无的，因为，学生从具有一定抽象性的模型开始学习，有利于知识的概括化和迁移水平的发展；再次，学生需要教师在科学方法上给予示范，即教师要引导学生分析题中什么条件为主，什么条件为次，从而体会模型的特征以及构建方式，这是物理模型教育的本质要求。
对火车进行运动分析和受力分析是解决问题的第一步，由受力分析图（图1）可见，在没有侧向摩擦力的临界条件下，向心力恰好由重力与垂直于斜面的支持力的合力提供，由几何关系得：
进一步，可以临界速度为节点，探讨火车速度在不同区间内铁轨所受压力的方向和大小，并探讨行车速度、转弯半径、铁轨倾角之间的关系，以此训练学生掌握控制变量的方法。如果有条件，还可以找到具体的参数，进行核实与讨论。通过这样多维度的探讨，就可以使学生理解这一结论背后丰富的物理意义。
（二）汽车转弯：及时显化科学方法
以上对第一个问题透彻、全面的分析仍不足以保证学生的应用物理知识能力的提高，关键问题是解决上述问题过程中的何种因素需要被重视并贯穿于后续的变式之中。我们认为，这一解决问题的核心因素就是科学方法，由此，我们安排了以下变式。
汽车转弯：某高速公路转弯处，弯道半径R=100m，汽车轮胎与路面间的动摩擦因数为0.23，路面要向圆心处倾斜，汽车若以15米每秒的设计速度行驶时，在弯道上没有左右滑动趋势，则路面的设计倾角应为多大？（g=
）
第二个问题与火车转弯相比只改变了问题情境的个别要素，并对相关物理量赋予了具体的数值，体现了对问题解决能力要求一定程度的提高，但仍然离不开受力分析、运动分析的科学方法。由图1所示，经分析同样可得
代入相关数据得：θ=arctan0.225。
这一环节需注意的是，由于问题情境已经发生了变化，所以教学就不能止步于“就题论题”，而应在与前一问题的比照中及时显化临界法、受力分析、计算法等科学方法。舍此，整个变式组的教学也就由于没有顾及相互联系和概括化而有名无实。
（三）圆锥摆：促进科学方法迁移
在呈现典型问题、显化科学方法之后，采取什么教学措施仍然取决于此时微妙的教学时机。为此，我们设置了“圆锥摆”这一变式。
圆锥摆：小球在水平面内做圆锥摆运动。设小球的质量为m，摆线长为L，半顶角为θ，求小球做匀速圆周运动的角速度为多大？
对于圆锥摆问题，水平面内圆周运动的向心力由重力和摆线张力的合力提供。类比可见，摆线提供的拉力与轨道（或路面）提供的支持力是完全等效的，使用等效法同样可得
这一关系，又R=Lsinθ，v=ωLsinθ，联立即得：
。其中，体会摆线张力与上述情境中支持力的等效性是深化对结论内涵理解的关键一步，这对促进科学方法的迁移有极大促进作用，而这也正是该环节教学的核心宗旨。
在以上变式中，作图法、几何方法、三角函数法贯穿解题的全过程，而临界条件分析法、类比法和等效法则是几种特殊的物理方法。事实上，学生对临界、瞬时这种有别于定量思维的条件还颇不熟悉，所以需要教师着意加以训练，从而使学生掌握它们并使思维由有限走向极限，由模糊走向精密。这体现了物理方法与思维方法教学的统一性。
科学方法作为心理学意义上的“强认知方法”，其价值正在于超越个别问题的对照，而能在各种陌生情况下体现良好的可迁移性。据此，圆锥摆这一环节的教学，为了促进方法的内化和迁移，就应妥善做到“收放有度”，即对科学方法不应再精细地讲解，而要启发、引导学生自主使用方法，甚至放手让学生在自主解决问题中使用刚学到的方法。这是因为，学生能够在不同的问题情境中迁移使用正是方法被掌握的标志。而实践证明，教师如果仍然越俎代庖地“精讲”下去，学生则很容易产生逆反和反感心理。[4]
（四）自行车转弯：落脚于生态化的原始物理问题
平面内圆周运动变式教学的落脚点应该是在生态化的情境中放手让学生自主建立模型，自主设置物理量并解答。一道关于自行车转弯的原始物理问题就成为该变式教学的落脚点。
自行车转弯：人骑自行车在水平地面上运动。请自主设置数据，推出一个表达式，计算若自行车以一定速度安全转弯时自行车的倾角应为多大？
这一原始物理问题由于没有提供数据，所以需要学生先用思维方法给以分析，理解物理本质，在自主建立恰切的模型的基础上设置数据解答。
自行车转弯的时候，需要将自行车抽象为直杆模型。通过受力分析可见（如下页图2）：一方面，提供向心力的是地面对自行车的侧向摩擦力（指向弯道圆心）；另一方面，自行车不发生转动，若选重心为转动轴，由合力矩为0得，地面作用于自行车的合力
必过重心。取自行车和人的总质量为M，自行车速度为v，转弯半径为R，由此作出矢量关系图（如图3），同样有关系：
这类原始问题的优势在于，能够充分调动学生头脑中的物理方法的参与并有效训练学生的思维方法，对学生物理知识应用水平的提升有着很强的效力。自行车转弯的原始物理问题从现象出发，体现了物理教育的生态化。如果教学仅局限于抽象习题的演练或在各种情境之间无序地跳跃，结果是学生或许会收获一些零碎的经验，而对于科学方法、物理本质则缺少深入的洞察和认识。而从“火车转弯”到“自行车转弯”上述四个情境化问题，就组成了一个有着共同物理本质的、结构化的变式组（如图4所示）。
显然，
作为一根“绳子”，拴住了四只“蚂蚱”，这充分彰显了物理高端备课的神奇之处。
三、物理高端备课的启示
我国传统的物理备课工作亟待改进，近来就有论者总结出诸如处理教材缺乏创造性、制定目标过于笼统、以学定教流于形式、设计教案简单化、教学反思空洞、教案与教学分离等六大备课痼疾。[5]其核心问题还在于教师的备课工作与教师对教学的理解未能做到真正结合，而根本原因则是缺乏科学理论的指导。物理高端备课则要求备课者超越传统的教材分析、教案撰写以及教学设计的局限，不仅要明确“做什么”“如何做”，还要基于深度的理论思考，在教学中论证“为什么要这样做”，并在高端备课的过程中呈现这些思考。这种工作构筑了专业沟通与学术批判的桥梁，对促进学科教师专业发展以及我国学科教育研究水平的跃升可以发挥“蝴蝶效应”的功效。
对“生活中的圆周运动”一节而言，“从物理到物理”的教学思路实际上绕过了教学过程的安排与研究，经验的描摹也由于缺少了科学教学理论的整体考量而失之琐碎与功利。纵览以上高端备课过程，我们得到以下几点启示。
（一）在高端观点下透视备课的本质与结构
现实教学中，无论是教师个人备课还是集体备课都曾提出了“超前性”的要求。然而，这一要求也往往局限于超出课堂教学进度的一到两个单元或章节，这就使得这种“超越”未能达到对教学理解的质性飞跃。而高端备课则要求教师以理论思维的观点，不仅从宏观的物理教学过程，而且从微观的物理教学心理洞悉备课的本质与结构，由此实现充分、有力而又简约的教学逻辑。
“生活中的圆周运动”一节容纳的四个变式组，不同问题情境的背后有着共同的物理本质“”。而教师要把握这一本质就不能满足于对单个问题的解答与对话，而应对倾角、临界速度、圆周半径等参量用物理思想统而御之，即全面、敏锐地洞察各个物理量的变化与制约关系。在问题情境的每次变化之间，也需要教师基于对物理本质的把握，体会变式之间的同与不同、变与不变，从而将课程内容结构化、灵活而全面地呈现给学生。也只有这样，教师才能在教学中做到胸有成竹、高屋建瓴。总而言之，彰显本质、凸显结构就是物理高端备课高端观点的集中体现。
（二）以显化的科学方法表达物理教学的逻辑
在确定该节的本质与结构之后，我们就要聚焦如何合理地落实教学过程这一问题，这同样是一个教学逻辑的问题。
其实，获得应用能力的关键就是科学方法的习得，一线教师所谓的学生不会“开生题”，都是源于科学方法教育的缺失。然而，科学方法有其独立于物理知识的表达体系，并往往隐藏在知识背后，所以，如何显化并开展传授就是一个难题。如图5所示，变式组物理本质“”的得出和逐步深化并不是由学生默会或顿悟而来，而必须经由临界法、作图法、计算法等科学方法导出，并在不同变式组的变化中学生才能不断领会。在有序的比照和迁移中，学生对科学方法才能逐渐产生敏感、意识，进而掌握并自觉地使用它们。
事实上，科学方法作为有序的时空次序可以有力地表达教学逻辑，所以，我们必须采用显化的方式进行科学方法教育。这不仅需要明示科学方法的名称，还要在规范的操作过程中准确拿捏时空次序的呈现和讲解。这对教师的功底不啻为一种艺术化的要求。而前述两个教学环节中提出的“及时显化”“收放有度”，都可以说是科学方法教学的特殊要求。这种教学不仅显化了科学方法教学的逻辑，还是对课程本质与结构的有效落实，对学生物理知识应用能力的发展更大有裨益。
（三）以高端备课有效促进教师专业发展
片面描摹经验是我国当前教师专业发展面临的最大困局，其根本原因在于教师专业发展理论与实践的脱离。而高端备课研究立足“备课”这一联系教学理论与实践的枢纽环节，为一节课具体的设计工作构筑了同理论与实践双重答辩的良好平台。其沟通理论与实践的功能，成为理论与实践的双重生长点。而教师专业发展也找到了高端备课这一用来聚焦的“透镜”。在这种聚焦下，教师专业发展的途径得以落实，而学科教育专家与一线教师也找到了聚焦问题并分析问题的研究领域与实践框架。也正是在这个意义上，高端备课研究才对教师专业发展展现出方法论的启迪。
这种方法论的启迪在于对问题空间的界定以及教学逻辑这一核心概念的提出。就物理学科而言，由于面对物理学丰富的物理意义、系统的逻辑结构以及学生的认知水平，所以，尤其需要对每个教学环节的逻辑作出理论论证与正确导引。然而遗憾的是，足以论证这种教学逻辑的理论又鲜有可用。这是由于能够兼顾学科逻辑与学生心理逻辑并体现学科本质的教学理论仍然是匮乏的，某种程度上处于当前教学理论与实践之间的“灰色地带”，所以，对其研究往往面临着特殊的困境。对此，我们的研究为这种学科教学逻辑理论初步概括出了高端备课这一问题域，而聚焦这一领域能为教学逻辑的研究不断开拓新路。